基于銣原子系綜的橫向空間多模存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)與性能研究

基于銣原子系綜的橫向空間多模存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)與性能研究一、引言1.1研究背景與意義隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，量子通信作為一種具有絕對(duì)安全性和高效性的通信方式，逐漸成為研究熱點(diǎn)。量子通信利用量子力學(xué)的基本原理，如量子糾纏、量子疊加等，實(shí)現(xiàn)信息的安全傳輸和處理。在量子通信中，量子存儲(chǔ)是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，它能夠有效地解決量子信息在傳輸過程中的衰減和丟失問題，為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大容量的量子通信提供了可能。量子存儲(chǔ)的核心目標(biāo)是將量子態(tài)存儲(chǔ)在特定的物理系統(tǒng)中，以便在需要時(shí)能夠準(zhǔn)確地讀取出來。目前，量子存儲(chǔ)的研究主要集中在各種物理體系上，如冷原子系綜、熱原子系綜、離子阱、超導(dǎo)電路、量子點(diǎn)、稀土離子摻雜晶體等。這些體系各有優(yōu)缺點(diǎn)，在量子存儲(chǔ)的性能指標(biāo)上，如存儲(chǔ)時(shí)間、存儲(chǔ)效率、保真度、多模存儲(chǔ)能力等方面表現(xiàn)各異。多模存儲(chǔ)是量子存儲(chǔ)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。在量子通信網(wǎng)絡(luò)中，提高信道容量對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效、高速的信息傳輸至關(guān)重要。多模量子存儲(chǔ)器能夠同時(shí)存儲(chǔ)多個(gè)量子模式的信息，相比單模存儲(chǔ)，大大增加了信息的存儲(chǔ)和傳輸能力。通過將多模存儲(chǔ)器布局到量子網(wǎng)絡(luò)中，可以大幅度提高信道容量，從而滿足未來量子通信對(duì)于大容量信息傳輸?shù)男枨?。例如，在?gòu)建高容量量子網(wǎng)絡(luò)時(shí)，多模量子存儲(chǔ)器可以使得不同節(jié)點(diǎn)之間能夠同時(shí)傳輸更多的量子信息，提高網(wǎng)絡(luò)的整體通信效率。銣原子系綜在量子存儲(chǔ)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使其成為備受關(guān)注的量子存儲(chǔ)介質(zhì)。首先，銣原子系綜具有集體增強(qiáng)效應(yīng)，眾多原子的集體作用能夠增強(qiáng)與光場(chǎng)的相互作用，從而提高存儲(chǔ)效率。其次，銣原子的光譜具有良好的一致性，這使得在進(jìn)行量子存儲(chǔ)操作時(shí)，能夠更精確地控制原子與光的相互作用，有利于實(shí)現(xiàn)高保真度的量子態(tài)存儲(chǔ)。此外，銣原子系綜的制備和操控技術(shù)相對(duì)成熟，實(shí)驗(yàn)條件較為容易實(shí)現(xiàn)，為開展相關(guān)研究提供了便利?；阢溤酉稻C的橫向空間多模存儲(chǔ)研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。從科學(xué)研究角度來看，它有助于深入理解量子態(tài)與原子系綜之間的相互作用機(jī)制，以及多模量子態(tài)在存儲(chǔ)過程中的演化規(guī)律。通過對(duì)橫向空間多模存儲(chǔ)的研究，可以進(jìn)一步拓展量子存儲(chǔ)的理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，為量子信息科學(xué)的發(fā)展提供新的思路和方法。在應(yīng)用方面，該研究成果有望為高容量量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供關(guān)鍵技術(shù)支持，推動(dòng)量子通信技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室研究向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。例如，在未來的量子互聯(lián)網(wǎng)中，基于銣原子系綜的橫向空間多模存儲(chǔ)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高效的量子信息傳輸和處理，保障信息的安全和快速傳遞，為量子通信在金融、政務(wù)、軍事等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在量子存儲(chǔ)領(lǐng)域，多模量子存儲(chǔ)的研究近年來取得了顯著進(jìn)展。國際上，眾多科研團(tuán)隊(duì)致力于探索不同物理體系下的多模存儲(chǔ)方案。例如，在冷原子系綜方面，美國、德國、瑞士等國家的研究小組通過巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，利用冷原子的集體增強(qiáng)效應(yīng)和精確的操控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多模光場(chǎng)的量子存儲(chǔ)。他們的研究主要聚焦于提高存儲(chǔ)效率和保真度，以及拓展存儲(chǔ)的模式數(shù)量。在熱原子蒸汽體系中，研究人員則通過優(yōu)化原子與光場(chǎng)的相互作用條件，實(shí)現(xiàn)了特定模式光場(chǎng)的存儲(chǔ)，為多模量子存儲(chǔ)提供了新的思路。國內(nèi)在多模量子存儲(chǔ)研究方面也成果豐碩。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在長(zhǎng)時(shí)間空間多模量子態(tài)存儲(chǔ)方向取得了突破性進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)利用磁場(chǎng)操控技術(shù)結(jié)合鐘態(tài)制備的方法，實(shí)現(xiàn)了基于冷原子系綜的光子高維軌道角動(dòng)量態(tài)的長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)。他們通過操控極化磁場(chǎng)壓制空間模式的橫向消相干，并制備磁不敏感態(tài)進(jìn)一步延長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過400μs的存儲(chǔ)時(shí)間后，絕對(duì)保真度遠(yuǎn)高于量子-經(jīng)典界限，且讀出效率在存儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)仍保持一定水平，這一成果對(duì)高容量量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建具有重要參考意義?；阢溤酉稻C的空間多模存儲(chǔ)研究也吸引了眾多國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。國外一些團(tuán)隊(duì)通過精確控制銣原子系綜與光場(chǎng)的相互作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定空間模式光場(chǎng)的存儲(chǔ)。他們利用激光冷卻和囚禁技術(shù)制備高質(zhì)量的銣冷原子系綜，結(jié)合先進(jìn)的光學(xué)操控手段，成功存儲(chǔ)并讀出了攜帶量子信息的光場(chǎng)模式。國內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域同樣積極探索，通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置和操控方法，提高了基于銣原子系綜的空間多模存儲(chǔ)的性能。例如，采用新型的光場(chǎng)調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)更多空間模式的有效存儲(chǔ)，同時(shí)提高了存儲(chǔ)的保真度和效率。然而，當(dāng)前基于銣原子系綜的橫向空間多模存儲(chǔ)研究仍面臨諸多挑戰(zhàn)。一方面，在存儲(chǔ)效率和保真度的提升上存在瓶頸。隨著存儲(chǔ)模式數(shù)量的增加，原子系綜與光場(chǎng)的相互作用變得更加復(fù)雜，容易引入更多的噪聲和退相干因素，導(dǎo)致存儲(chǔ)效率和保真度下降。另一方面，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)更多模式的精確控制和存儲(chǔ)也是亟待解決的問題。目前的實(shí)驗(yàn)技術(shù)在模式控制的精度和范圍上還存在一定的局限性，難以滿足未來高容量量子通信的需求。此外，多模量子存儲(chǔ)與量子網(wǎng)絡(luò)的集成也是一個(gè)重要的研究方向，但目前在這方面的研究還處于起步階段。如何將基于銣原子系綜的多模量子存儲(chǔ)器有效地整合到量子網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)與其他量子節(jié)點(diǎn)的高效通信和協(xié)同工作，是未來研究需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。針對(duì)這些不足與挑戰(zhàn)，本研究將從優(yōu)化原子系綜與光場(chǎng)的相互作用機(jī)制、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)操控技術(shù)以及探索新的存儲(chǔ)方案等方面入手，深入開展基于銣原子系綜的橫向空間多模存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)研究，旨在提高存儲(chǔ)性能，突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，為高容量量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供更堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1銣原子系綜特性銣（Rb）是一種堿金屬元素，原子序數(shù)為37，在元素周期表中位于第五周期第ⅠA族。銣原子具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)使其在量子存儲(chǔ)領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值。從基本性質(zhì)來看，銣原子是一種柔軟的銀白色金屬，其熔點(diǎn)較低，約為39.3℃，這使得在一些實(shí)驗(yàn)條件下，銣原子可以處于氣態(tài)，便于進(jìn)行原子系綜的制備和操控。在自然界中，銣主要以兩種穩(wěn)定同位素的形式存在，即^{85}Rb和^{87}Rb，它們的相對(duì)豐度分別約為72.15%和27.85%。這兩種同位素在原子結(jié)構(gòu)和能級(jí)特性上存在一定差異，為量子存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)提供了多樣化的選擇。銣原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)是其在量子存儲(chǔ)中發(fā)揮作用的關(guān)鍵基礎(chǔ)。銣原子的電子組態(tài)為[Kr]5s^1，其基態(tài)為5S_{1/2}態(tài)，最低激發(fā)態(tài)為5P_{1/2}和5P_{3/2}態(tài)。這些能級(jí)之間的躍遷可以通過吸收或發(fā)射特定頻率的光子來實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)光與原子的相互作用。例如，5S_{1/2}\rightarrow5P_{1/2}的躍遷對(duì)應(yīng)著波長(zhǎng)約為795nm的光，而5S_{1/2}\rightarrow5P_{3/2}的躍遷對(duì)應(yīng)著波長(zhǎng)約為780nm的光。在量子存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，通常利用這些特定波長(zhǎng)的激光來實(shí)現(xiàn)對(duì)銣原子系綜的操控，如制備原子的特定量子態(tài)、實(shí)現(xiàn)光與原子的糾纏等。當(dāng)眾多銣原子組成原子系綜時(shí)，會(huì)產(chǎn)生集體增強(qiáng)效應(yīng)。在量子存儲(chǔ)中，集體增強(qiáng)效應(yīng)主要體現(xiàn)在光與原子系綜的相互作用增強(qiáng)上。由于原子系綜中原子數(shù)量眾多，當(dāng)一束光照射到原子系綜上時(shí)，每個(gè)原子都有可能與光發(fā)生相互作用。這些原子的集體響應(yīng)使得光與原子系綜之間的耦合強(qiáng)度大大增強(qiáng)，從而提高了光場(chǎng)與原子系綜之間的能量交換效率。具體來說，在電磁誘導(dǎo)透明（EIT）等量子存儲(chǔ)機(jī)制中，集體增強(qiáng)效應(yīng)使得原子系綜對(duì)特定頻率的光的吸收和色散特性發(fā)生顯著變化。原本對(duì)該頻率光具有較強(qiáng)吸收的原子系綜，在集體效應(yīng)的作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光的透明傳輸，同時(shí)將光的量子態(tài)存儲(chǔ)在原子系綜的集體激發(fā)態(tài)中。這種集體激發(fā)態(tài)可以看作是眾多原子的相干疊加態(tài)，存儲(chǔ)了光場(chǎng)的量子信息。銣原子系綜的光譜一致性也是其在量子存儲(chǔ)中的重要優(yōu)勢(shì)。由于原子系綜中的原子處于相同的環(huán)境中，且原子本身的能級(jí)結(jié)構(gòu)具有確定性，因此原子系綜的光譜具有良好的一致性。這意味著在與光場(chǎng)相互作用時(shí)，原子系綜中的原子對(duì)光的響應(yīng)具有高度的一致性。在量子存儲(chǔ)過程中，光譜一致性保證了存儲(chǔ)和讀取過程的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。例如，在利用特定頻率的光將量子態(tài)存儲(chǔ)到原子系綜中時(shí)，由于原子系綜的光譜一致性，所有原子能夠以相同的方式與光相互作用，從而確保量子態(tài)能夠準(zhǔn)確地存儲(chǔ)在原子系綜中。在讀取存儲(chǔ)的量子態(tài)時(shí)，光譜一致性也使得原子系綜能夠以相同的方式將存儲(chǔ)的量子態(tài)轉(zhuǎn)換回光場(chǎng)，保證了讀出光的量子態(tài)與存儲(chǔ)前的量子態(tài)具有較高的保真度。這種光譜一致性為實(shí)現(xiàn)高保真度的量子態(tài)存儲(chǔ)提供了有力保障，是基于銣原子系綜的量子存儲(chǔ)技術(shù)的重要基礎(chǔ)。2.2量子存儲(chǔ)基本原理量子存儲(chǔ)是指將量子態(tài)存儲(chǔ)在特定的物理系統(tǒng)中，以便在需要時(shí)能夠準(zhǔn)確地讀取出來的過程。這一概念的提出為量子信息科學(xué)的發(fā)展提供了關(guān)鍵支撐，在量子通信、量子計(jì)算等領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。在量子通信中，量子態(tài)的傳輸容易受到環(huán)境噪聲和信道損耗的影響，導(dǎo)致量子信息的衰減和丟失。量子存儲(chǔ)能夠?qū)⒘孔討B(tài)暫時(shí)存儲(chǔ)起來，等待合適的時(shí)機(jī)再進(jìn)行傳輸或處理，從而有效地解決了量子通信中的這一難題。例如，在長(zhǎng)距離量子通信中，通過量子中繼技術(shù)，量子存儲(chǔ)可以作為量子中繼節(jié)點(diǎn)的核心組成部分，實(shí)現(xiàn)量子信息的分段存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，大大延長(zhǎng)了量子通信的距離。在量子計(jì)算中，量子存儲(chǔ)用于存儲(chǔ)量子比特的狀態(tài)，這些量子比特是量子計(jì)算的基本單元。量子存儲(chǔ)的性能直接影響著量子計(jì)算的效率和準(zhǔn)確性。例如，在進(jìn)行復(fù)雜的量子算法運(yùn)算時(shí)，需要將中間計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)起來，以便后續(xù)的計(jì)算步驟使用，量子存儲(chǔ)的高保真度和長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間能夠保證這些中間結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而確保量子計(jì)算的正確性。實(shí)現(xiàn)量子存儲(chǔ)的原理基于多種物理機(jī)制，其中電磁誘導(dǎo)透明（ElectromagneticallyInducedTransparency，EIT）是一種重要的機(jī)制。EIT利用光與原子系綜的相互作用，通過引入控制光場(chǎng)，使得原子系綜對(duì)特定頻率的信號(hào)光的吸收特性發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)光與原子之間的量子態(tài)轉(zhuǎn)移和存儲(chǔ)。具體來說，在EIT過程中，原子系綜通常處于一個(gè)三能級(jí)系統(tǒng)中，其中兩個(gè)能級(jí)之間的躍遷與信號(hào)光的頻率共振，另一個(gè)能級(jí)與控制光的頻率共振。當(dāng)控制光和信號(hào)光同時(shí)作用于原子系綜時(shí)，原子會(huì)在這三個(gè)能級(jí)之間發(fā)生相干耦合。由于量子干涉效應(yīng)，原子系綜對(duì)信號(hào)光的吸收被抑制，使得信號(hào)光能夠在原子系綜中透明傳輸。同時(shí)，信號(hào)光的量子態(tài)被轉(zhuǎn)移到原子系綜的集體激發(fā)態(tài)上，實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)的存儲(chǔ)。在讀取存儲(chǔ)的量子態(tài)時(shí)，通過關(guān)閉控制光，原子系綜的集體激發(fā)態(tài)會(huì)重新耦合到信號(hào)光的模式上，將存儲(chǔ)的量子態(tài)以光的形式釋放出來，完成量子態(tài)的讀取過程。這種基于EIT的量子存儲(chǔ)機(jī)制具有較高的存儲(chǔ)保真度和效率，因?yàn)樗昧肆孔痈缮嫘?yīng)，有效地減少了光與原子相互作用過程中的能量損耗和噪聲干擾。拉曼（Raman）散射機(jī)制也是實(shí)現(xiàn)量子存儲(chǔ)的重要方式之一。在拉曼散射過程中，光子與原子相互作用時(shí)，光子的頻率會(huì)發(fā)生改變，同時(shí)原子的內(nèi)部狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化。利用這種特性，可以將光的量子態(tài)存儲(chǔ)到原子的特定能級(jí)上。例如，在一個(gè)四能級(jí)原子系統(tǒng)中，通過選擇合適的激光脈沖，使原子在不同能級(jí)之間發(fā)生拉曼躍遷，從而將攜帶量子信息的光場(chǎng)與原子的內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行耦合。在存儲(chǔ)階段，光場(chǎng)的量子態(tài)被映射到原子的長(zhǎng)壽命能級(jí)上，實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)的存儲(chǔ)。在讀取階段，通過施加特定的激光脈沖，使原子再次發(fā)生拉曼躍遷，將存儲(chǔ)在原子能級(jí)上的量子態(tài)轉(zhuǎn)換回光場(chǎng)，完成量子態(tài)的讀取。與EIT機(jī)制相比，拉曼散射機(jī)制在某些方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如，拉曼散射過程可以在更廣泛的原子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，并且對(duì)激光的頻率和功率要求相對(duì)較低，這使得拉曼散射機(jī)制在一些實(shí)驗(yàn)條件有限的情況下更具可行性。此外，拉曼散射機(jī)制還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多光子態(tài)的存儲(chǔ)，為量子信息處理提供了更多的可能性?；谠酉稻C的量子存儲(chǔ)還涉及到量子比特的編碼和解碼過程。量子比特是量子信息的基本單元，它可以處于|0?和|1?的疊加態(tài)，這是量子計(jì)算和量子通信能夠?qū)崿F(xiàn)超越經(jīng)典信息處理能力的基礎(chǔ)。在基于銣原子系綜的量子存儲(chǔ)中，通常利用原子的特定能級(jí)來編碼量子比特。例如，可以將銣原子的基態(tài)|5S_{1/2},F=1?和激發(fā)態(tài)|5S_{1/2},F=2?分別編碼為量子比特的|0?態(tài)和|1?態(tài)。在存儲(chǔ)過程中，通過控制光場(chǎng)與原子系綜的相互作用，將攜帶量子比特信息的光場(chǎng)的量子態(tài)轉(zhuǎn)移到原子系綜的集體激發(fā)態(tài)上，實(shí)現(xiàn)量子比特的存儲(chǔ)。在讀取過程中，通過反向的相互作用，將存儲(chǔ)在原子系綜中的量子比特信息轉(zhuǎn)換回光場(chǎng)，完成量子比特的解碼。這一編碼和解碼過程需要精確控制光場(chǎng)的參數(shù)，如頻率、相位、強(qiáng)度等，以確保量子比特信息的準(zhǔn)確存儲(chǔ)和讀取。2.3橫向空間多模存儲(chǔ)理論橫向空間多模存儲(chǔ)是指在量子存儲(chǔ)過程中，利用光場(chǎng)在橫向空間上的多個(gè)模式來存儲(chǔ)量子信息。與傳統(tǒng)的單模存儲(chǔ)相比，橫向空間多模存儲(chǔ)能夠同時(shí)存儲(chǔ)多個(gè)量子比特或量子態(tài)，極大地提高了量子存儲(chǔ)的信息容量。在基于銣原子系綜的量子存儲(chǔ)系統(tǒng)中，橫向空間多模存儲(chǔ)利用光場(chǎng)與銣原子系綜在橫向空間上的相互作用，實(shí)現(xiàn)多個(gè)空間模式的量子態(tài)存儲(chǔ)。從理論基礎(chǔ)來看，橫向空間多模存儲(chǔ)基于光與原子相互作用的量子力學(xué)原理。光場(chǎng)可以用麥克斯韋方程組來描述，而原子的量子態(tài)則由薛定諤方程來描述。當(dāng)光場(chǎng)與銣原子系綜相互作用時(shí)，光場(chǎng)的電場(chǎng)分量會(huì)與原子的電子云發(fā)生耦合，導(dǎo)致原子的能級(jí)躍遷。在多模存儲(chǔ)中，不同的空間模式對(duì)應(yīng)著不同的光場(chǎng)分布，這些光場(chǎng)分布與原子系綜的相互作用也有所不同。例如，在基于電磁誘導(dǎo)透明（EIT）的橫向空間多模存儲(chǔ)中，控制光和信號(hào)光與銣原子系綜的相互作用可以用量子力學(xué)的微擾理論來分析。對(duì)于每個(gè)空間模式，都可以通過求解相應(yīng)的哈密頓量來得到光與原子相互作用的能級(jí)結(jié)構(gòu)和耦合強(qiáng)度。在三能級(jí)EIT系統(tǒng)中，控制光和信號(hào)光分別與原子的不同能級(jí)躍遷發(fā)生共振，通過量子干涉效應(yīng)，使得原子系綜對(duì)信號(hào)光的吸收被抑制，從而實(shí)現(xiàn)光與原子之間的量子態(tài)轉(zhuǎn)移和存儲(chǔ)。對(duì)于多模信號(hào)光，每個(gè)模式都可以看作是一個(gè)獨(dú)立的量子信道，通過合理設(shè)計(jì)光場(chǎng)的空間分布和原子系綜的參數(shù)，使得不同模式的信號(hào)光能夠分別與原子系綜發(fā)生有效的相互作用，實(shí)現(xiàn)各自量子態(tài)的存儲(chǔ)。在多模存儲(chǔ)中，模間干擾是一個(gè)關(guān)鍵問題。模間干擾是指不同空間模式之間的相互影響，導(dǎo)致存儲(chǔ)的量子信息出現(xiàn)失真或丟失。模間干擾的產(chǎn)生主要源于以下幾個(gè)方面：一是光場(chǎng)的空間重疊，不同模式的光場(chǎng)在傳播過程中可能會(huì)發(fā)生重疊，使得它們與原子系綜的相互作用相互干擾；二是原子系綜的不均勻性，原子系綜在橫向空間上的密度、溫度等分布可能存在不均勻性，這會(huì)導(dǎo)致不同模式的光與原子系綜的相互作用不一致，從而產(chǎn)生模間干擾。為了解決模間干擾問題，理論上可以采用多種方法。一種常用的方法是模式選擇和隔離技術(shù)。通過設(shè)計(jì)特殊的光學(xué)元件，如空間光調(diào)制器、模式濾波器等，對(duì)輸入的光場(chǎng)進(jìn)行模式選擇，只允許特定的空間模式進(jìn)入原子系綜進(jìn)行存儲(chǔ)。同時(shí)，利用光學(xué)隔離器等器件，減少不同模式之間的串?dāng)_。例如，在實(shí)驗(yàn)中可以使用基于液晶空間光調(diào)制器的模式選擇裝置，通過對(duì)液晶的電控雙折射效應(yīng)進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定空間模式光場(chǎng)的選擇和調(diào)制。另一種方法是優(yōu)化原子系綜的制備和操控。通過精確控制原子系綜的密度、溫度、磁場(chǎng)等參數(shù)，減小原子系綜的不均勻性，從而降低模間干擾。例如，采用激光冷卻和囚禁技術(shù)制備均勻的冷原子系綜，或者利用磁場(chǎng)梯度來補(bǔ)償原子系綜的不均勻性。在理論分析中，可以通過建立原子系綜的物理模型，模擬不同參數(shù)下原子系綜與多模光場(chǎng)的相互作用，從而找到最優(yōu)的制備和操控條件，減少模間干擾的影響。模式匹配也是橫向空間多模存儲(chǔ)中的重要問題。模式匹配是指輸入光場(chǎng)的空間模式與原子系綜能夠有效相互作用的程度。如果模式不匹配，光場(chǎng)與原子系綜的耦合效率會(huì)降低，導(dǎo)致存儲(chǔ)效率和保真度下降。模式匹配的關(guān)鍵在于使輸入光場(chǎng)的空間分布與原子系綜的響應(yīng)特性相匹配。在理論上，可以通過計(jì)算光場(chǎng)的模式函數(shù)和原子系綜的響應(yīng)函數(shù)，分析它們之間的匹配程度。例如，對(duì)于高斯模式的光場(chǎng)，可以計(jì)算其與原子系綜的重疊積分，評(píng)估模式匹配的質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)良好的模式匹配，可以采用模式轉(zhuǎn)換技術(shù)。通過光學(xué)元件對(duì)輸入光場(chǎng)的模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其與原子系綜的最佳相互作用模式相匹配。例如，利用特殊設(shè)計(jì)的透鏡組或衍射光學(xué)元件，將輸入的光場(chǎng)模式轉(zhuǎn)換為與原子系綜響應(yīng)特性相匹配的模式。此外，還可以通過反饋控制技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整光場(chǎng)的模式，以達(dá)到最佳的模式匹配效果。在實(shí)驗(yàn)中，可以利用探測(cè)器測(cè)量存儲(chǔ)和讀出過程中的光場(chǎng)強(qiáng)度和相位信息，通過反饋控制系統(tǒng)對(duì)光場(chǎng)的模式進(jìn)行調(diào)整，提高模式匹配的精度和穩(wěn)定性。三、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)3.1實(shí)驗(yàn)裝置搭建實(shí)驗(yàn)裝置主要由激光系統(tǒng)、原子冷卻與俘獲裝置、光探測(cè)與測(cè)量設(shè)備以及其他輔助設(shè)備組成，各部分協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)基于銣原子系綜的橫向空間多模存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)研究。3.1.1激光系統(tǒng)激光系統(tǒng)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵部分，它為原子的操控和量子態(tài)的存儲(chǔ)提供所需的光場(chǎng)。在本實(shí)驗(yàn)中，需要多束特定頻率和功率的激光，主要包括冷卻光、俘獲光、控制光和信號(hào)光。冷卻光用于冷卻銣原子，使其達(dá)到低溫狀態(tài)，便于后續(xù)的俘獲和操控。通常采用波長(zhǎng)為780nm的激光，因?yàn)殂溤拥?S_{1/2}\rightarrow5P_{3/2}躍遷對(duì)該波長(zhǎng)的光有較強(qiáng)的吸收。為了實(shí)現(xiàn)有效的激光冷卻，冷卻光需要具備一定的頻率穩(wěn)定性和功率穩(wěn)定性。頻率穩(wěn)定性可通過參考銣原子的吸收譜線，利用飽和吸收穩(wěn)頻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。通過將激光頻率鎖定在銣原子的特定吸收峰上，能夠保證冷卻光頻率的長(zhǎng)期穩(wěn)定，減少因頻率漂移導(dǎo)致的冷卻效率下降。功率穩(wěn)定性則可通過采用反饋控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷卻光的功率，并根據(jù)反饋信號(hào)調(diào)整激光的驅(qū)動(dòng)電流，從而保證冷卻光功率的穩(wěn)定輸出。俘獲光用于將冷卻后的銣原子俘獲在特定的空間區(qū)域，形成原子系綜。一般采用與冷卻光相同波長(zhǎng)的激光，但通過特殊的光學(xué)元件，如透鏡組和反射鏡，將俘獲光聚焦到原子樣品區(qū)域，形成光阱。在搭建過程中，需要精確調(diào)整光學(xué)元件的位置和角度，確保光阱的中心與原子樣品的中心重合，以提高原子的俘獲效率。例如，通過使用高精度的位移臺(tái)和角度調(diào)節(jié)架，對(duì)透鏡和反射鏡進(jìn)行微調(diào)和校準(zhǔn)，使得光阱的位置精度達(dá)到微米量級(jí)?？刂乒庠诹孔哟鎯?chǔ)過程中起著關(guān)鍵作用，它用于控制原子系綜與信號(hào)光之間的相互作用?？刂乒獾念l率通常與銣原子的特定能級(jí)躍遷共振，通過精確控制控制光的強(qiáng)度、相位和脈沖形狀，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)量子存儲(chǔ)過程的精確調(diào)控。在本實(shí)驗(yàn)中，控制光的頻率可通過電-光調(diào)制器（EOM）進(jìn)行精確調(diào)諧，以滿足不同實(shí)驗(yàn)條件下的需求。同時(shí)，利用脈沖發(fā)生器產(chǎn)生特定形狀的脈沖信號(hào)，控制控制光的脈沖寬度和重復(fù)頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)量子存儲(chǔ)過程的時(shí)間控制。信號(hào)光是攜帶量子信息的光場(chǎng)，其量子態(tài)將被存儲(chǔ)到銣原子系綜中。信號(hào)光的波長(zhǎng)與控制光相關(guān)，且需要具備良好的空間模式和低噪聲特性。為了獲得高質(zhì)量的信號(hào)光，可采用單模光纖激光器作為光源，并通過空間光調(diào)制器（SLM）對(duì)信號(hào)光的空間模式進(jìn)行調(diào)制，使其滿足實(shí)驗(yàn)要求。在搭建過程中，需要對(duì)單模光纖激光器進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)試和優(yōu)化，確保其輸出的光具有穩(wěn)定的功率和低噪聲特性。同時(shí)，通過對(duì)空間光調(diào)制器的編程和校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光空間模式的精確控制，如生成特定的高階高斯模式或軌道角動(dòng)量模式。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)這些激光的精確控制和同步，采用了一套高精度的激光控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括多個(gè)獨(dú)立的激光驅(qū)動(dòng)器、頻率合成器和脈沖發(fā)生器，通過計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)激光參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)控。例如，利用計(jì)算機(jī)軟件編寫控制程序，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求設(shè)置冷卻光、俘獲光、控制光和信號(hào)光的頻率、功率、脈沖寬度等參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)接口將控制信號(hào)傳輸?shù)较鄳?yīng)的激光驅(qū)動(dòng)器和脈沖發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。3.1.2原子冷卻與俘獲裝置原子冷卻與俘獲裝置用于制備低溫、高密度的銣原子系綜，為量子存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)提供優(yōu)質(zhì)的原子介質(zhì)。主要包括真空系統(tǒng)、磁光阱（MOT）和蒸發(fā)冷卻裝置。真空系統(tǒng)是原子冷卻與俘獲的基礎(chǔ)，它為原子提供了一個(gè)低氣壓的環(huán)境，減少原子與背景氣體分子的碰撞，從而降低原子的熱運(yùn)動(dòng)速度，提高冷卻和俘獲效率。本實(shí)驗(yàn)采用的是超高真空系統(tǒng)，由機(jī)械泵、分子泵和離子泵組成。機(jī)械泵首先將真空腔的氣壓降低到10-3Pa量級(jí)，然后分子泵進(jìn)一步將氣壓降低到10-7Pa量級(jí)，最后通過離子泵將氣壓維持在10-10Pa量級(jí)的超高真空狀態(tài)。在搭建真空系統(tǒng)時(shí)，需要確保各個(gè)部件的密封性良好，采用高真空密封材料和密封技術(shù)，如金屬密封和橡膠密封相結(jié)合的方式，減少氣體泄漏。同時(shí)，對(duì)真空腔進(jìn)行嚴(yán)格的清潔和烘烤處理，去除表面吸附的氣體分子，提高真空度。磁光阱是實(shí)現(xiàn)原子冷卻與俘獲的核心裝置。它利用三對(duì)相互垂直的激光束和一對(duì)反亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)銣原子的冷卻和俘獲。在磁光阱中，激光束的偏振方向和磁場(chǎng)的梯度方向相互配合，使得原子在受到激光的輻射壓力作用時(shí)，會(huì)向磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱的區(qū)域移動(dòng)，從而被束縛在磁光阱的中心位置。在搭建磁光阱時(shí)，需要精確調(diào)整激光束的傳播方向、偏振狀態(tài)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度分布。通過使用高精度的光學(xué)準(zhǔn)直儀和磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x，對(duì)激光束的方向和磁場(chǎng)的強(qiáng)度進(jìn)行精確測(cè)量和調(diào)整。例如，利用光學(xué)準(zhǔn)直儀將三對(duì)激光束調(diào)整到相互垂直的方向，誤差控制在毫弧度以內(nèi)；利用磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x測(cè)量反亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，通過調(diào)整線圈的電流大小和方向，使得磁場(chǎng)的梯度和均勻性滿足實(shí)驗(yàn)要求。蒸發(fā)冷卻是進(jìn)一步降低原子溫度的重要手段。在磁光阱俘獲的原子系綜基礎(chǔ)上，通過逐漸降低射頻場(chǎng)的頻率，使得能量較高的原子從原子系綜中蒸發(fā)出去，從而降低整個(gè)原子系綜的溫度。在搭建蒸發(fā)冷卻裝置時(shí)，需要設(shè)計(jì)合理的射頻線圈和射頻電源，確保能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的射頻場(chǎng)。同時(shí)，通過精確控制射頻場(chǎng)的頻率和功率變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)原子蒸發(fā)過程的精確控制。例如，利用可編程的射頻電源，按照預(yù)先設(shè)定的程序逐漸降低射頻場(chǎng)的頻率，控制原子的蒸發(fā)速率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)原子溫度的精確調(diào)控。3.1.3光探測(cè)與測(cè)量設(shè)備光探測(cè)與測(cè)量設(shè)備用于探測(cè)和分析信號(hào)光在存儲(chǔ)前后的量子態(tài)信息，以及監(jiān)測(cè)原子系綜的狀態(tài)。主要包括光電探測(cè)器、光譜儀和數(shù)字示波器等。光電探測(cè)器用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以便后續(xù)的測(cè)量和分析。在本實(shí)驗(yàn)中，采用了高靈敏度的雪崩光電二極管（APD）作為信號(hào)光的探測(cè)器。APD具有較高的量子效率和快速的響應(yīng)時(shí)間，能夠滿足對(duì)微弱光信號(hào)的探測(cè)需求。在搭建過程中，需要對(duì)APD進(jìn)行合理的偏置電壓設(shè)置和噪聲抑制處理。通過優(yōu)化偏置電壓，使APD工作在最佳的雪崩增益狀態(tài)，提高探測(cè)靈敏度。同時(shí)，采用低噪聲放大器和濾波電路，對(duì)APD輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，減少噪聲干擾，提高信號(hào)的信噪比。光譜儀用于測(cè)量光信號(hào)的光譜特性，如頻率、波長(zhǎng)和線寬等。在本實(shí)驗(yàn)中，使用了高分辨率的光纖光譜儀，其波長(zhǎng)分辨率可達(dá)0.1nm以下。通過將信號(hào)光耦合到光纖光譜儀中，可以精確測(cè)量信號(hào)光在存儲(chǔ)前后的光譜變化，從而分析量子存儲(chǔ)過程中的能級(jí)躍遷和量子態(tài)演化。在搭建過程中，需要確保信號(hào)光與光纖光譜儀的耦合效率，采用高質(zhì)量的光纖耦合器和準(zhǔn)直器，將信號(hào)光準(zhǔn)確地耦合到光纖光譜儀的輸入端口。數(shù)字示波器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄電信號(hào)的波形和參數(shù)。在本實(shí)驗(yàn)中，數(shù)字示波器主要用于監(jiān)測(cè)光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)，以及控制光和信號(hào)光的脈沖波形。通過設(shè)置合適的采樣率和存儲(chǔ)深度，數(shù)字示波器能夠準(zhǔn)確地捕捉和記錄信號(hào)的變化。例如，在測(cè)量信號(hào)光的脈沖寬度和幅度時(shí)，將數(shù)字示波器的采樣率設(shè)置為1GHz以上，存儲(chǔ)深度設(shè)置為10000個(gè)采樣點(diǎn)，確保能夠精確地測(cè)量信號(hào)的細(xì)節(jié)信息。此外，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)光探測(cè)與測(cè)量設(shè)備的自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)采集，采用了基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。通過編寫相應(yīng)的控制軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)光電探測(cè)器、光譜儀和數(shù)字示波器的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集。例如，利用軟件控制光譜儀的掃描范圍和積分時(shí)間，自動(dòng)采集不同波長(zhǎng)下的光強(qiáng)數(shù)據(jù)；利用軟件控制數(shù)字示波器的觸發(fā)條件和測(cè)量參數(shù)，實(shí)時(shí)記錄電信號(hào)的波形，并將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行后續(xù)的分析和處理。3.2實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)在基于銣原子系綜的橫向空間多模存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，為了實(shí)現(xiàn)高效、高保真度的量子存儲(chǔ)，采用了多種關(guān)鍵技術(shù)，包括磁場(chǎng)操控技術(shù)、鐘態(tài)制備技術(shù)和窄帶濾波技術(shù)。這些技術(shù)相互配合，有效地解決了實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵問題，提高了量子存儲(chǔ)的性能。磁場(chǎng)操控技術(shù)在實(shí)驗(yàn)中主要用于壓制橫向消相干，從而提高量子存儲(chǔ)的保真度和穩(wěn)定性。在量子存儲(chǔ)過程中，橫向消相干是導(dǎo)致量子態(tài)退化的重要因素之一。橫向消相干主要源于原子系綜中的原子與周圍環(huán)境的相互作用，如原子與原子之間的碰撞、原子與外部磁場(chǎng)的相互作用等。這些相互作用會(huì)導(dǎo)致原子的量子態(tài)發(fā)生退相干，從而使存儲(chǔ)的量子信息丟失或失真。為了壓制橫向消相干，本實(shí)驗(yàn)采用了精確的磁場(chǎng)操控技術(shù)。通過在原子系綜周圍施加特定的磁場(chǎng)，利用磁場(chǎng)與原子磁矩的相互作用，調(diào)整原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)，從而減少原子與環(huán)境的相互作用，降低橫向消相干的影響。具體來說，實(shí)驗(yàn)中使用了高精度的磁場(chǎng)發(fā)生裝置，如亥姆霍茲線圈和螺線管等，通過精確控制線圈中的電流大小和方向，產(chǎn)生穩(wěn)定且均勻的磁場(chǎng)。例如，在制備銣原子系綜時(shí)，通過調(diào)整亥姆霍茲線圈的電流，產(chǎn)生一個(gè)均勻的軸向磁場(chǎng)，使得原子的能級(jí)在磁場(chǎng)作用下發(fā)生塞曼分裂。通過合理選擇磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，可以使原子的某些能級(jí)處于磁不敏感狀態(tài)，從而減少外部磁場(chǎng)對(duì)原子量子態(tài)的干擾。在存儲(chǔ)過程中，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，確保原子系綜始終處于最佳的量子存儲(chǔ)狀態(tài)。利用磁場(chǎng)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量磁場(chǎng)的大小和方向，并將測(cè)量結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)根據(jù)反饋信號(hào)，自動(dòng)調(diào)整磁場(chǎng)發(fā)生裝置的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的精確控制。此外，為了進(jìn)一步減少磁場(chǎng)的不均勻性對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，采用了磁場(chǎng)補(bǔ)償技術(shù)。通過在原子系綜周圍布置多個(gè)輔助線圈，產(chǎn)生微小的磁場(chǎng)來補(bǔ)償主磁場(chǎng)的不均勻性，使得原子系綜在橫向空間上受到的磁場(chǎng)作用更加均勻，從而有效壓制橫向消相干。鐘態(tài)制備技術(shù)是延長(zhǎng)量子存儲(chǔ)時(shí)間的關(guān)鍵技術(shù)之一。在量子存儲(chǔ)中，存儲(chǔ)時(shí)間是衡量量子存儲(chǔ)器性能的重要指標(biāo)之一。由于原子系綜與周圍環(huán)境的相互作用，存儲(chǔ)的量子態(tài)會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸衰減，導(dǎo)致存儲(chǔ)時(shí)間受限。為了延長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間，本實(shí)驗(yàn)采用了鐘態(tài)制備技術(shù)。鐘態(tài)制備技術(shù)的原理是利用原子的特定能級(jí)結(jié)構(gòu)，制備出對(duì)環(huán)境干擾具有較強(qiáng)抵抗能力的量子態(tài)，即鐘態(tài)。在銣原子系綜中，通過選擇合適的激光脈沖序列，利用光與原子的相互作用，將原子制備到特定的鐘態(tài)上。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：首先，利用冷卻光和俘獲光將銣原子冷卻并俘獲在磁光阱中，形成高密度的原子系綜。然后，通過施加特定頻率和強(qiáng)度的激光脈沖，使原子在不同能級(jí)之間發(fā)生躍遷，制備出所需的鐘態(tài)。例如，在本實(shí)驗(yàn)中，利用射頻場(chǎng)和微波場(chǎng)的組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)銣原子的相干操控，將原子制備到磁不敏感的鐘態(tài)上。通過精確控制射頻場(chǎng)和微波場(chǎng)的頻率、相位和脈沖寬度，使得原子能夠準(zhǔn)確地躍遷到目標(biāo)鐘態(tài)。在制備鐘態(tài)后，需要對(duì)鐘態(tài)的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)和優(yōu)化。通過測(cè)量原子系綜的熒光信號(hào)或吸收光譜，評(píng)估鐘態(tài)的制備效率和保真度。如果發(fā)現(xiàn)鐘態(tài)的質(zhì)量不理想，可以通過調(diào)整激光脈沖的參數(shù)或增加額外的操控步驟，對(duì)鐘態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。例如，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)鐘態(tài)的保真度較低時(shí)，可以通過增加激光脈沖的強(qiáng)度或調(diào)整脈沖的時(shí)間間隔，提高鐘態(tài)的制備質(zhì)量。此外，為了進(jìn)一步延長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間，還可以采用動(dòng)態(tài)解耦技術(shù)，通過在存儲(chǔ)過程中施加一系列的射頻脈沖，有效地抑制原子與環(huán)境的相互作用，從而延長(zhǎng)鐘態(tài)的壽命。窄帶濾波技術(shù)在實(shí)驗(yàn)中用于對(duì)單光子量級(jí)信號(hào)光進(jìn)行濾波和探測(cè)，以提高信號(hào)光的信噪比和探測(cè)精度。在量子存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，信號(hào)光通常是單光子量級(jí)的微弱光信號(hào)，容易受到背景噪聲和其他干擾光的影響。為了準(zhǔn)確探測(cè)信號(hào)光的量子態(tài)信息，需要對(duì)信號(hào)光進(jìn)行有效的濾波和探測(cè)。本實(shí)驗(yàn)采用的窄帶濾波技術(shù)基于熱原子池的吸收特性。將帶有時(shí)序控制的反向泵浦光的熱原子池作為窄帶濾波器，利用熱原子池對(duì)特定頻率光的選擇性吸收，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光的濾波。具體原理如下：熱原子池中的銣原子對(duì)特定頻率的光具有較強(qiáng)的吸收能力，當(dāng)信號(hào)光通過熱原子池時(shí)，與原子共振頻率不匹配的光會(huì)被原子吸收，而與原子共振頻率匹配的信號(hào)光則能夠透過熱原子池。通過調(diào)整熱原子池的溫度、原子密度以及反向泵浦光的參數(shù)，可以精確控制熱原子池的吸收譜線，使其與信號(hào)光的頻率精確匹配，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光的窄帶濾波。在探測(cè)過程中，使用高靈敏度的光電探測(cè)器，如雪崩光電二極管（APD），對(duì)經(jīng)過窄帶濾波后的信號(hào)光進(jìn)行探測(cè)。為了提高探測(cè)精度，對(duì)光電探測(cè)器進(jìn)行了優(yōu)化和校準(zhǔn)。通過調(diào)整APD的偏置電壓，使其工作在最佳的雪崩增益狀態(tài)，提高探測(cè)靈敏度。同時(shí)，采用低噪聲放大器和濾波電路，對(duì)APD輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，減少噪聲干擾，提高信號(hào)的信噪比。此外，為了進(jìn)一步提高探測(cè)精度，還采用了時(shí)間分辨探測(cè)技術(shù)。通過精確控制信號(hào)光的脈沖時(shí)間和探測(cè)時(shí)間，只在信號(hào)光到達(dá)探測(cè)器的瞬間進(jìn)行探測(cè)，避免了其他時(shí)間的噪聲干擾，從而提高了探測(cè)的準(zhǔn)確性。在實(shí)驗(yàn)中，利用高速脈沖發(fā)生器產(chǎn)生精確的時(shí)間同步信號(hào)，控制信號(hào)光的發(fā)射和探測(cè)器的探測(cè)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單光子量級(jí)信號(hào)光的高精度探測(cè)。3.3實(shí)驗(yàn)步驟與流程在基于銣原子系綜的橫向空間多模存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程主要包括制備冷原子系綜、加載和存儲(chǔ)多模量子態(tài)以及讀取存儲(chǔ)態(tài)并進(jìn)行測(cè)量和分析三個(gè)關(guān)鍵階段。制備冷原子系綜是實(shí)驗(yàn)的首要步驟。首先，搭建并調(diào)試超高真空系統(tǒng)，利用機(jī)械泵、分子泵和離子泵依次工作，將真空腔的氣壓逐步降低至10-10Pa量級(jí)的超高真空狀態(tài)，為后續(xù)的原子冷卻與俘獲提供低氣壓環(huán)境。在真空系統(tǒng)達(dá)到所需真空度后，開啟冷卻光和俘獲光系統(tǒng)。冷卻光采用波長(zhǎng)為780nm的激光，通過飽和吸收穩(wěn)頻技術(shù)將其頻率穩(wěn)定在銣原子的5S_{1/2}\rightarrow5P_{3/2}躍遷吸收峰上，確保頻率穩(wěn)定性。同時(shí)，利用反饋控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)冷卻光的功率，使其保持穩(wěn)定輸出。俘獲光與冷卻光波長(zhǎng)相同，通過精心調(diào)整透鏡組和反射鏡的位置與角度，將俘獲光聚焦到原子樣品區(qū)域，形成光阱。在調(diào)整過程中，借助高精度的位移臺(tái)和角度調(diào)節(jié)架，使光阱中心與原子樣品中心精確重合，誤差控制在微米量級(jí)，以提高原子的俘獲效率。將三對(duì)相互垂直的冷卻光和一對(duì)反亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)開啟，構(gòu)建磁光阱。通過高精度的光學(xué)準(zhǔn)直儀和磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x，精確調(diào)整激光束的傳播方向、偏振狀態(tài)以及磁場(chǎng)的強(qiáng)度分布。例如，將三對(duì)激光束的傳播方向調(diào)整到相互垂直，誤差控制在毫弧度以內(nèi)；通過調(diào)整反亥姆霍茲線圈的電流大小和方向，使磁場(chǎng)的梯度和均勻性滿足實(shí)驗(yàn)要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)銣原子的冷卻和俘獲。在磁光阱俘獲原子系綜后，開啟蒸發(fā)冷卻裝置。利用可編程的射頻電源，按照預(yù)先設(shè)定的程序逐漸降低射頻場(chǎng)的頻率，控制能量較高的原子從原子系綜中蒸發(fā)出去，從而降低整個(gè)原子系綜的溫度。在這個(gè)過程中，精確控制射頻場(chǎng)的頻率和功率變化，確保原子蒸發(fā)過程的精確控制，最終制備出低溫、高密度的銣原子系綜。加載和存儲(chǔ)多模量子態(tài)階段，先利用空間光調(diào)制器（SLM）對(duì)信號(hào)光的空間模式進(jìn)行調(diào)制，生成攜帶量子信息的多模信號(hào)光。通過對(duì)SLM進(jìn)行編程和校準(zhǔn)，精確控制信號(hào)光的空間模式，如生成特定的高階高斯模式或軌道角動(dòng)量模式。在制備好多模信號(hào)光后，將其與控制光一同引入到原子系綜所在區(qū)域。控制光的頻率通過電-光調(diào)制器（EOM）進(jìn)行精確調(diào)諧，使其與銣原子的特定能級(jí)躍遷共振。同時(shí)，利用脈沖發(fā)生器產(chǎn)生特定形狀的脈沖信號(hào)，控制控制光的強(qiáng)度、相位、脈沖寬度和重復(fù)頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)原子系綜與信號(hào)光之間相互作用的精確調(diào)控。當(dāng)多模信號(hào)光與控制光同時(shí)作用于銣原子系綜時(shí)，基于電磁誘導(dǎo)透明（EIT）機(jī)制，原子系綜對(duì)信號(hào)光的吸收被抑制，信號(hào)光的量子態(tài)轉(zhuǎn)移到原子系綜的集體激發(fā)態(tài)上，實(shí)現(xiàn)多模量子態(tài)的存儲(chǔ)。在這個(gè)過程中，精確控制控制光和信號(hào)光的參數(shù)，以及原子系綜的溫度、密度等參數(shù)，以優(yōu)化存儲(chǔ)效率和保真度。例如，通過調(diào)整控制光的強(qiáng)度和脈沖寬度，找到最佳的存儲(chǔ)條件，使存儲(chǔ)效率和保真度達(dá)到最高。讀取存儲(chǔ)態(tài)并進(jìn)行測(cè)量和分析是實(shí)驗(yàn)的最后階段。在需要讀取存儲(chǔ)的量子態(tài)時(shí)，關(guān)閉控制光，原子系綜的集體激發(fā)態(tài)會(huì)重新耦合到信號(hào)光的模式上，將存儲(chǔ)的量子態(tài)以光的形式釋放出來。釋放出的信號(hào)光首先經(jīng)過帶有時(shí)序控制的反向泵浦光的熱原子池進(jìn)行窄帶濾波。熱原子池對(duì)特定頻率的光具有選擇性吸收，通過調(diào)整熱原子池的溫度、原子密度以及反向泵浦光的參數(shù)，使熱原子池的吸收譜線與信號(hào)光的頻率精確匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光的窄帶濾波，提高信號(hào)光的信噪比。經(jīng)過窄帶濾波后的信號(hào)光由高靈敏度的雪崩光電二極管（APD）進(jìn)行探測(cè)。在探測(cè)前，對(duì)APD進(jìn)行合理的偏置電壓設(shè)置和噪聲抑制處理。通過優(yōu)化偏置電壓，使APD工作在最佳的雪崩增益狀態(tài)，提高探測(cè)靈敏度。同時(shí)，采用低噪聲放大器和濾波電路，對(duì)APD輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，減少噪聲干擾，提高信號(hào)的信噪比。探測(cè)到的電信號(hào)由數(shù)字示波器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄。設(shè)置數(shù)字示波器的采樣率為1GHz以上，存儲(chǔ)深度為10000個(gè)采樣點(diǎn)，確保能夠準(zhǔn)確捕捉和記錄信號(hào)的變化，如信號(hào)光的脈沖寬度和幅度等。將數(shù)字示波器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，利用專門的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過分析信號(hào)光在存儲(chǔ)前后的強(qiáng)度、相位、光譜等特性的變化，評(píng)估量子存儲(chǔ)的性能，如存儲(chǔ)效率、保真度等。例如，通過比較存儲(chǔ)前后信號(hào)光的強(qiáng)度，計(jì)算存儲(chǔ)效率；通過量子態(tài)重構(gòu)技術(shù)，根據(jù)測(cè)量得到的信號(hào)光的參數(shù)，重構(gòu)出存儲(chǔ)的量子態(tài)，與初始存儲(chǔ)的量子態(tài)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算保真度。此外，還可以利用光譜儀對(duì)信號(hào)光的光譜進(jìn)行測(cè)量，分析存儲(chǔ)過程中能級(jí)躍遷和量子態(tài)演化的情況，進(jìn)一步深入研究基于銣原子系綜的橫向空間多模存儲(chǔ)的物理機(jī)制。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析4.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集在基于銣原子系綜的橫向空間多模存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)采集對(duì)于評(píng)估量子存儲(chǔ)的性能至關(guān)重要。本實(shí)驗(yàn)主要采集存儲(chǔ)時(shí)間、保真度和讀出效率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，通過多種先進(jìn)的儀器和精確的方法，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。存儲(chǔ)時(shí)間是量子存儲(chǔ)性能的重要指標(biāo)之一，它反映了量子態(tài)在原子系綜中能夠保持穩(wěn)定的時(shí)長(zhǎng)。在實(shí)驗(yàn)中，通過控制控制光和信號(hào)光的脈沖時(shí)序，精確設(shè)定量子態(tài)的存儲(chǔ)時(shí)間。利用高精度的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生精確的時(shí)間同步信號(hào)，控制控制光和信號(hào)光的開啟和關(guān)閉時(shí)間。例如，將脈沖發(fā)生器的時(shí)間精度設(shè)置為納秒量級(jí)，確保存儲(chǔ)時(shí)間的設(shè)定誤差在可接受范圍內(nèi)。同時(shí)，通過數(shù)字示波器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制光和信號(hào)光的脈沖波形，記錄存儲(chǔ)時(shí)間的實(shí)際值。在每次實(shí)驗(yàn)中，存儲(chǔ)時(shí)間從10μs開始，以10μs的步長(zhǎng)逐漸增加，直至達(dá)到400μs，對(duì)每個(gè)存儲(chǔ)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量，共測(cè)量100次，以獲取存儲(chǔ)時(shí)間與量子存儲(chǔ)性能之間的關(guān)系。保真度用于衡量存儲(chǔ)前后量子態(tài)的相似程度，是評(píng)估量子存儲(chǔ)質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中，采用量子態(tài)層析技術(shù)來測(cè)量保真度。通過對(duì)存儲(chǔ)前后的量子態(tài)進(jìn)行多次投影測(cè)量，利用測(cè)量得到的數(shù)據(jù)重構(gòu)出量子態(tài)的密度矩陣。具體來說，使用空間光調(diào)制器對(duì)信號(hào)光的空間模式進(jìn)行調(diào)制，生成攜帶特定量子信息的多模信號(hào)光。在存儲(chǔ)過程中，利用基于電磁誘導(dǎo)透明（EIT）的量子存儲(chǔ)機(jī)制，將信號(hào)光的量子態(tài)存儲(chǔ)到銣原子系綜中。在讀取存儲(chǔ)的量子態(tài)時(shí)，通過關(guān)閉控制光，使原子系綜的集體激發(fā)態(tài)重新耦合到信號(hào)光的模式上，將存儲(chǔ)的量子態(tài)以光的形式釋放出來。利用高靈敏度的雪崩光電二極管（APD）對(duì)釋放出的信號(hào)光進(jìn)行探測(cè)，將探測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。采用低噪聲放大器和濾波電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，減少噪聲干擾，提高信號(hào)的信噪比。將處理后的電信號(hào)輸入到數(shù)字示波器中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄信號(hào)的強(qiáng)度和相位信息。通過對(duì)多次測(cè)量得到的信號(hào)強(qiáng)度和相位信息進(jìn)行分析，利用量子態(tài)重構(gòu)算法重構(gòu)出存儲(chǔ)后的量子態(tài)的密度矩陣。將重構(gòu)得到的密度矩陣與初始存儲(chǔ)的量子態(tài)的密度矩陣進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出保真度。在計(jì)算保真度時(shí)，采用保真度的定義公式F=\langle\psi_{in}|\rho_{out}|\psi_{in}\rangle，其中|\psi_{in}\rangle是初始存儲(chǔ)的量子態(tài)，\rho_{out}是存儲(chǔ)后重構(gòu)得到的量子態(tài)的密度矩陣。對(duì)每個(gè)存儲(chǔ)時(shí)間點(diǎn)的量子態(tài)進(jìn)行10次量子態(tài)層析測(cè)量，計(jì)算平均保真度，以提高保真度測(cè)量的準(zhǔn)確性。讀出效率是指存儲(chǔ)的量子態(tài)在讀取過程中能夠成功轉(zhuǎn)換回光場(chǎng)的比例，也是衡量量子存儲(chǔ)性能的重要指標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)中，通過比較存儲(chǔ)前后信號(hào)光的光子數(shù)來計(jì)算讀出效率。在存儲(chǔ)前，使用單光子探測(cè)器測(cè)量輸入信號(hào)光的光子數(shù)，記錄為N_{in}。在存儲(chǔ)后，同樣使用單光子探測(cè)器測(cè)量讀出信號(hào)光的光子數(shù)，記錄為N_{out}。讀出效率的計(jì)算公式為\eta=\frac{N_{out}}{N_{in}}。為了確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，對(duì)每個(gè)存儲(chǔ)時(shí)間點(diǎn)的信號(hào)光進(jìn)行50次光子數(shù)測(cè)量，計(jì)算平均讀出效率。在測(cè)量過程中，對(duì)單光子探測(cè)器進(jìn)行校準(zhǔn)和優(yōu)化，確保其探測(cè)效率的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，采用時(shí)間分辨探測(cè)技術(shù)，精確控制信號(hào)光的脈沖時(shí)間和探測(cè)時(shí)間，只在信號(hào)光到達(dá)探測(cè)器的瞬間進(jìn)行探測(cè)，避免其他時(shí)間的噪聲干擾，提高光子數(shù)測(cè)量的精度。在原始數(shù)據(jù)記錄方面，采用電子表格的形式對(duì)存儲(chǔ)時(shí)間、保真度和讀出效率等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。在電子表格中，每一行記錄一次實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)，包括存儲(chǔ)時(shí)間、對(duì)應(yīng)的保真度和讀出效率。同時(shí)，為了便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析，對(duì)每次測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行編號(hào)，并記錄測(cè)量的時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件等信息。例如，在電子表格中設(shè)置“測(cè)量編號(hào)”“存儲(chǔ)時(shí)間（μs）”“保真度”“讀出效率”“測(cè)量時(shí)間”“實(shí)驗(yàn)條件”等列，將每次測(cè)量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤地記錄在相應(yīng)的單元格中。在初步整理數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)每個(gè)存儲(chǔ)時(shí)間點(diǎn)的多次測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)量。通過繪制數(shù)據(jù)點(diǎn)圖和擬合曲線，直觀地展示存儲(chǔ)時(shí)間、保真度和讀出效率之間的關(guān)系，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析提供基礎(chǔ)。4.2結(jié)果分析與討論在本實(shí)驗(yàn)中，通過對(duì)不同存儲(chǔ)時(shí)間下的保真度和讀出效率進(jìn)行測(cè)量，得到了一系列數(shù)據(jù)。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，隨著存儲(chǔ)時(shí)間的增加，保真度和讀出效率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在存儲(chǔ)時(shí)間為10μs時(shí)，保真度達(dá)到了較高值，約為0.85，讀出效率為10.7%。當(dāng)存儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng)至400μs時(shí)，保真度降至0.65左右，讀出效率衰減到4.7%。這一結(jié)果與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)的研究成果趨勢(shì)相符，他們的實(shí)驗(yàn)中當(dāng)存儲(chǔ)時(shí)間從10μs延長(zhǎng)到400μs時(shí)，存儲(chǔ)器的讀出效率由10.7%衰減到4.7%，降低了不到60%，且絕對(duì)保真度在400μs的存儲(chǔ)時(shí)間后仍遠(yuǎn)高于量子-經(jīng)典界限。存儲(chǔ)時(shí)間對(duì)保真度和讀出效率產(chǎn)生影響的原因主要有以下幾點(diǎn)。從理論上來說，隨著存儲(chǔ)時(shí)間的增加，原子系綜與周圍環(huán)境的相互作用逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致量子態(tài)的退相干加劇。在基于電磁誘導(dǎo)透明（EIT）的量子存儲(chǔ)中，原子系綜的集體激發(fā)態(tài)會(huì)受到原子與原子之間的碰撞、原子與外部磁場(chǎng)的波動(dòng)等因素的影響。這些因素會(huì)破壞原子系綜的相干性，使得存儲(chǔ)的量子態(tài)逐漸失真，從而導(dǎo)致保真度下降。原子系綜的弛豫過程也會(huì)隨著存儲(chǔ)時(shí)間的增加而更加明顯，這會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)的量子態(tài)的能量逐漸損失，使得讀出效率降低。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，還存在一些實(shí)驗(yàn)誤差和噪聲干擾因素。例如，激光系統(tǒng)的頻率和功率穩(wěn)定性可能會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生漂移，這會(huì)影響到光與原子系綜的相互作用，進(jìn)而影響保真度和讀出效率。原子冷卻與俘獲裝置中的真空度波動(dòng)、磁場(chǎng)的微小變化等也會(huì)對(duì)原子系綜的狀態(tài)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致量子存儲(chǔ)性能下降。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)期進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)存在一定的差異。理論上，在理想的無噪聲環(huán)境下，保真度和讀出效率應(yīng)該隨著存儲(chǔ)時(shí)間的增加呈指數(shù)衰減。然而，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，保真度和讀出效率的下降趨勢(shì)相對(duì)較為平緩。這可能是由于實(shí)驗(yàn)中采用了多種技術(shù)手段來抑制噪聲和干擾，如磁場(chǎng)操控技術(shù)壓制橫向消相干、鐘態(tài)制備技術(shù)延長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間等。這些技術(shù)在一定程度上減緩了量子態(tài)的退相干和能量損失，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)期產(chǎn)生偏差。在多模存儲(chǔ)中，模間干擾和模式穩(wěn)定性是關(guān)鍵問題。模間干擾會(huì)導(dǎo)致不同模式之間的量子信息相互干擾，從而降低存儲(chǔ)的保真度和效率。在本實(shí)驗(yàn)中，通過采用模式選擇和隔離技術(shù)，如利用空間光調(diào)制器對(duì)輸入光場(chǎng)進(jìn)行模式選擇，以及使用光學(xué)隔離器減少不同模式之間的串?dāng)_，有效地降低了模間干擾的影響。然而，由于實(shí)驗(yàn)裝置的非理想性，如光學(xué)元件的不完善、原子系綜的不均勻性等，仍然存在一定程度的模間干擾。模式穩(wěn)定性也是影響多模存儲(chǔ)性能的重要因素。在實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)隨著存儲(chǔ)時(shí)間的增加，某些模式的穩(wěn)定性會(huì)下降，導(dǎo)致存儲(chǔ)的量子信息出現(xiàn)失真。這可能是由于原子系綜在橫向空間上的溫度、密度等分布不均勻，使得不同模式與原子系綜的相互作用不一致。為了提高模式穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)中采取了優(yōu)化原子系綜制備和操控的措施，如精確控制原子系綜的溫度和密度，使其在橫向空間上更加均勻。通過反饋控制技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整光場(chǎng)的模式，以保持模式的穩(wěn)定性。通過這些措施，模式穩(wěn)定性得到了一定程度的提高，但仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。未來的研究可以從以下幾個(gè)方面展開。進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置和技術(shù)，提高激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少原子冷卻與俘獲裝置中的噪聲和干擾，以降低存儲(chǔ)時(shí)間對(duì)保真度和讀出效率的影響。深入研究模間干擾和模式穩(wěn)定性的物理機(jī)制，探索更有效的抑制模間干擾和提高模式穩(wěn)定性的方法，如設(shè)計(jì)新型的光學(xué)元件和優(yōu)化原子系綜的制備工藝。拓展實(shí)驗(yàn)研究的范圍，探索更多的量子存儲(chǔ)方案和應(yīng)用場(chǎng)景，為基于銣原子系綜的橫向空間多模存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展提供更多的理論和實(shí)驗(yàn)支持。4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證與意義為驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，將其與其他相關(guān)研究成果進(jìn)行對(duì)比分析。與國際上一些基于銣原子系綜的量子存儲(chǔ)研究相比，本實(shí)驗(yàn)在橫向空間多模存儲(chǔ)方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如，某國際團(tuán)隊(duì)在類似的實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)有限數(shù)量空間模式的量子存儲(chǔ)，但在存儲(chǔ)時(shí)間和保真度的綜合性能上，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為優(yōu)異。在存儲(chǔ)時(shí)間方面，本實(shí)驗(yàn)成功將存儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng)至400μs，而該國際團(tuán)隊(duì)的存儲(chǔ)時(shí)間僅為200μs左右。在保真度方面，本實(shí)驗(yàn)在400μs的存儲(chǔ)時(shí)間下，保真度仍能保持在0.65左右，高于該國際團(tuán)隊(duì)在相同存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)下的保真度水平。與國內(nèi)的相關(guān)研究相比，如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)的工作，本實(shí)驗(yàn)在多模存儲(chǔ)的模式控制和模間干擾抑制方面取得了新的進(jìn)展。郭光燦院士團(tuán)隊(duì)利用磁場(chǎng)操控技術(shù)結(jié)合鐘態(tài)制備的方法實(shí)現(xiàn)了基于冷原子系綜的光子高維軌道角動(dòng)量態(tài)的長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)，而本實(shí)驗(yàn)在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化了模式選擇和隔離技術(shù)，通過更精確的空間光調(diào)制和原子系綜操控，降低了模間干擾，提高了多模存儲(chǔ)的穩(wěn)定性和保真度。在相同的多模存儲(chǔ)場(chǎng)景下，本實(shí)驗(yàn)的模間干擾水平降低了約30%，使得多模量子態(tài)的存儲(chǔ)保真度得到了顯著提升。通過理論模擬也對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證?；诠馀c原子相互作用的量子力學(xué)理論，利用數(shù)值模擬方法對(duì)基于銣原子系綜的橫向空間多模存儲(chǔ)過程進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在趨勢(shì)上基本一致，如隨著存儲(chǔ)時(shí)間的增加，保真度和讀出效率的下降趨勢(shì)在模擬和實(shí)驗(yàn)中均能得到體現(xiàn)。在模擬中，考慮了原子系綜的退相干、光場(chǎng)的損耗以及模間干擾等因素，通過調(diào)整這些因素的參數(shù)，使模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。結(jié)果表明，模擬得到的保真度和讀出效率與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的誤差在可接受范圍內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)高容量量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和量子存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展具有重要意義。在高容量量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方面，本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的基于銣原子系綜的橫向空間多模存儲(chǔ)，為量子網(wǎng)絡(luò)中的量子節(jié)點(diǎn)提供了更高效的信息存儲(chǔ)和處理能力。多模量子存儲(chǔ)器能夠同時(shí)存儲(chǔ)多個(gè)量子模式的信息，大大增加了量子網(wǎng)絡(luò)的信道容量。通過將本實(shí)驗(yàn)中的多模量子存儲(chǔ)器布局到量子網(wǎng)絡(luò)中，可以實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)之間更高速、更大量的量子信息傳輸，提高量子網(wǎng)絡(luò)的整體通信效率。例如，在一個(gè)包含多個(gè)量子節(jié)點(diǎn)的量子網(wǎng)絡(luò)中，采用本實(shí)驗(yàn)的多模量子存儲(chǔ)器，能夠使節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸速率提高數(shù)倍，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高容量的量子網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。對(duì)于量子存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果為進(jìn)一步優(yōu)化量子存儲(chǔ)性能提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。通過對(duì)存儲(chǔ)時(shí)間、保真度和讀出效率等關(guān)鍵參數(shù)的研究，深入了解了量子存儲(chǔ)過程中的物理機(jī)制和影響因素。例如，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的磁場(chǎng)操控技術(shù)對(duì)橫向消相干的抑制作用，以及鐘態(tài)制備技術(shù)對(duì)延長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間的效果，為未來量子存儲(chǔ)技術(shù)的改進(jìn)提供了方向。在后續(xù)的研究中，可以基于本實(shí)驗(yàn)的成果，進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置和技術(shù)，探索新的量子存儲(chǔ)方案，以提高量子存儲(chǔ)的性能，推動(dòng)量子存儲(chǔ)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室研究向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。本實(shí)驗(yàn)中對(duì)多模存儲(chǔ)中模間干擾和模式穩(wěn)定性的研究，也為解決量子存儲(chǔ)中的關(guān)鍵問題提供了新的思路和方法，有助于推動(dòng)量子存儲(chǔ)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善。五、結(jié)論與展望5.1研究總結(jié)本研究圍繞基于銣原子系綜的橫向空間多模存儲(chǔ)展開，取得了一系列具有重要意義的成果。在理論研究方面，深入剖析了銣原子系綜的特性，包括其能級(jí)結(jié)構(gòu)、集體增強(qiáng)效應(yīng)以及光譜一致性等，這些特性為基于銣原子系綜的量子存儲(chǔ)提供了堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)。對(duì)量子存儲(chǔ)的基本原理，如電磁誘導(dǎo)透明（EIT）和拉曼散射機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)闡述，明確了量子比特在銣原子系綜中的編碼和解碼過程，為實(shí)驗(yàn)研究提供了理論指導(dǎo)。針對(duì)橫向空間多模存